В производстве и быту силикагель можно использовать для осушки N2, воздуха, водорода, природного газа [1] и так далее. По кислоте и щелочи осушитель можно разделить на кислотный осушитель, щелочной осушитель и нейтральный осушитель [2]. Силикагель представляет собой нейтральный осушитель, который, по-видимому, сушит NH3, HCl, SO2 и т. д. Однако с принципиальной точки зрения силикагель состоит из трехмерной межмолекулярной дегидратации молекул ортокремниевой кислоты, основной частью которого является SiO2, поверхность богата гидроксильными группами (см. рисунок 1). Причина, по которой силикагель может поглощать воду, заключается в том, что гидроксильная группа кремния на поверхности силикагеля может образовывать межмолекулярные водородные связи с молекулами воды, поэтому она может адсорбировать воду и, таким образом, играть роль высыхания. Меняющий цвет силикагель содержит ионы кобальта, и после того, как адсорбционная вода достигает насыщения, ионы кобальта в меняющем цвет силикагеле становятся гидратированными ионами кобальта, так что синий силикагель становится розовым. После нагрева розового силикагеля при температуре 200 ℃ в течение определенного периода времени водородная связь между силикагелем и молекулами воды разрывается, и обесцвеченный силикагель снова становится синим, так что структурная диаграмма кремниевой кислоты и силикагеля может можно использовать повторно, как показано на рисунке 1. Итак, поскольку поверхность силикагеля богата гидроксильными группами, поверхность силикагеля может также образовывать межмолекулярные водородные связи с NH3, HCl и т. д., и не может быть никакого способа действовать как осушитель NH3 и HCl, и в существующей литературе нет соответствующих сообщений. Итак, каковы были результаты? Этот субъект провел следующее экспериментальное исследование.
ИНЖИР. 1 Структурная схема ортокремниевой кислоты и силикагеля
2 Экспериментальная часть
2.1 Исследование области применения силикагеля-осушителя — Аммиак Сначала обесцвеченный силикагель помещали в дистиллированную воду и концентрированную аммиачную воду соответственно. Обесцвеченный силикагель становится розовым в дистиллированной воде; В концентрированном аммиаке меняющий цвет силикон сначала становится красным, а затем постепенно становится светло-голубым. Это показывает, что силикагель может поглощать NH3 или NH3 ·H2O в аммиаке. Как показано на рисунке 2, твердый гидроксид кальция и хлорид аммония равномерно смешиваются и нагреваются в пробирке. Образующийся газ удаляют щелочной известью, а затем силикагелем. Цвет силикагеля вблизи направления входа становится светлее (исследуется цвет области применения силикагеля-поглотителя на рисунке 2 — аммиак 73, 8-я фаза 2023 г. в основном такой же, как цвет силикагеля, пропитанного в концентрированной аммиачной воде), а индикатор pH на бумаге не имеет явных изменений. Это указывает на то, что образовавшийся NH3 не достиг индикаторной бумаги для определения pH и полностью адсорбировался. Через некоторое время прекратите нагревание, выньте небольшую часть шарика силикагеля, поместите его в дистиллированную воду, добавьте в воду фенолфталеин, раствор станет красным, что указывает на сильное адсорбционное действие силикагеля на NH3, после отсоединения дистиллированной воды NH3 попадает в дистиллированную воду, раствор щелочной. Следовательно, поскольку силикагель обладает сильной адсорбцией NH3, силиконовый осушитель не может высушить NH3.
ИНЖИР. 2 Исследование сферы применения силикагелевого влагопоглотителя — аммиака
2.2 Исследование области применения силикагелевого осушителя — хлористого водорода сначала сжигают твердые вещества NaCl пламенем спиртовки для удаления влажной воды из твердых компонентов. После охлаждения образца к твердому веществу NaCl добавляют концентрированную серную кислоту, чтобы сразу же образоваться большое количество пузырьков. Образовавшийся газ подается в сферическую сушильную трубку, содержащую силикагель, а в конце сушильной трубки помещается влажная бумага для измерения pH. Силикагель на переднем конце становится светло-зеленым, а влажная бумага для измерения pH не имеет видимых изменений (см. Рисунок 3). Это показывает, что образующийся газообразный HCl полностью адсорбируется силикагелем и не уходит в воздух.
Рисунок 3 Исследование сферы применения силикагелевого влагопоглотителя — хлористого водорода
Силикагель, адсорбировавший HCl и ставший светло-зеленым, был помещен в пробирку. Поместите новый синий силикагель в пробирку, добавьте концентрированную соляную кислоту, силикагель также станет светло-зеленого цвета, оба цвета в основном одинаковы. Это показывает газообразный силикагель в сферической сушильной трубке.
2.3 Исследование области применения силикагелевого осушителя — диоксида серы. Смесь концентрированной серной кислоты с твердым тиосульфатом натрия (см. рисунок 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Образовавшийся газ пропускают через сушильную трубку, содержащую обесцвеченный силикагель, обесцвеченный силикагель становится светло-сине-зеленым, а синяя лакмусовая бумажка на конце влажной контрольной бумаги существенно не меняется, что указывает на то, что образовавшийся газ SO2 полностью адсорбируется шариком силикагеля и не может уйти.
ИНЖИР. 4 Исследование области применения силикагелевого влагопоглотителя — диоксида серы.
Снимите часть шарика силикагеля и поместите его в дистиллированную воду. После полного баланса возьмите небольшую каплю воды на синюю лакмусовую бумажку. Тестовая бумага существенно не меняется, что указывает на то, что дистиллированной воды недостаточно для десорбции SO2 из силикагеля. Возьмите небольшую часть шарика силикагеля и нагрейте его в пробирке. Поднесите к горлышку пробирки влажную синюю лакмусовую бумагу. Синяя лакмусовая бумажка становится красной, что указывает на то, что при нагревании газ SO2 десорбируется из шарика силикагеля, в результате чего лакмусовая бумажка становится красной. Вышеуказанные эксперименты показывают, что силикагель также оказывает сильное адсорбционное действие на SO2 или H2SO3 и не может использоваться для сушки газа SO2.
2.4 Исследование области применения силикагелевого влагопоглотителя — Углекислый газ
Как показано на рисунке 5, раствор бикарбоната натрия, с которого капает фенолфталеин, выглядит светло-красным. Твердый бикарбонат натрия нагревают и полученную газовую смесь пропускают через сушильную трубку, содержащую высушенные сферы силикагеля. Силикагель существенно не изменяется, и бикарбонат натрия, капающий с фенолфталеином, адсорбирует HCl. Ион кобальта в обесцвеченном силикагеле образует зеленый раствор с Cl- и постепенно обесцвечивается, что указывает на наличие газового комплекса CO2 на конце сферической сушильной трубки. Светло-зеленый силикагель помещают в дистиллированную воду, и обесцвеченный силикагель постепенно меняет цвет на желтый, что указывает на то, что HCl, адсорбированная силикагелем, десорбировалась в воду. Небольшое количество верхнего водного раствора добавляли к раствору нитрата серебра, подкисленному азотной кислотой, с образованием белого осадка. Небольшое количество водного раствора капают на индикаторную бумагу с широким диапазоном pH, и индикаторная бумага становится красной, указывая на то, что раствор кислый. Вышеуказанные эксперименты показывают, что силикагель обладает сильной адсорбцией газообразного HCl. HCl является сильно полярной молекулой, и гидроксильная группа на поверхности силикагеля также имеет сильную полярность, и они могут образовывать межмолекулярные водородные связи или иметь относительно сильное диполь-дипольное взаимодействие, что приводит к относительно сильной межмолекулярной силе между поверхностью кремнезема. молекулы геля и HCl, поэтому силикагель обладает сильной адсорбцией HCl. Поэтому силиконовый осушитель не может быть использован для осушки выбросов HCl, то есть силикагель не адсорбирует CO2 или лишь частично адсорбирует CO2.
ИНЖИР. 5 Исследование области применения силикагелевого влагопоглотителя — углекислого газа
Чтобы доказать адсорбцию силикагеля углекислым газом, продолжаются следующие эксперименты. Шарик силикагеля из сферической сушильной трубки удаляли, а часть разделяли на раствор бикарбоната натрия, с которого капал фенолфталеин. Раствор бикарбоната натрия обесцвечивал. Это показывает, что силикагель адсорбирует диоксид углерода, а после растворения в воде диоксид углерода десорбируется в раствор бикарбоната натрия, в результате чего раствор бикарбоната натрия тускнеет. Оставшуюся часть силиконового шарика нагревают в сухой пробирке и полученный газ пропускают в капающий раствор бикарбоната натрия с фенолфталеином. Вскоре раствор бикарбоната натрия меняет цвет со светло-красного на бесцветный. Это также показывает, что силикагель по-прежнему обладает способностью адсорбировать газ CO2. Однако сила адсорбции силикагеля на CO2 намного меньше, чем у HCl, NH3 и SO2, а диоксид углерода может быть адсорбирован лишь частично в ходе эксперимента, показанного на рисунке 5. Причина, по которой силикагель может частично адсорбировать CO2, вероятно, заключается в что силикагель и СО2 образуют межмолекулярные водородные связи Si — OH… O =C. Поскольку центральный атом углерода CO2 является sp-гибридом, а атом кремния в силикагеле является sp3-гибридом, линейная молекула CO2 плохо взаимодействует с поверхностью силикагеля, в результате чего сила адсорбции силикагеля на диоксиде углерода относительно мала. маленький.
3. Сравнение растворимости четырех газов в воде и состояния адсорбции на поверхности силикагеля. Из приведенных выше экспериментальных результатов видно, что силикагель обладает сильной адсорбционной способностью для аммиака, хлористого водорода и диоксида серы, но небольшая сила адсорбции углекислого газа (см. табл. 1). Это похоже на растворимость четырех газов в воде. Это может быть связано с тем, что молекулы воды содержат гидрокси-ОН, а поверхность силикагеля также богата гидроксилом, поэтому растворимость этих четырех газов в воде очень похожа на его адсорбцию на поверхности силикагеля. Среди трех газов: газообразного аммиака, хлористого водорода и диоксида серы, диоксид серы имеет наименьшую растворимость в воде, но после адсорбции силикагелем его десорбция труднее всего среди трех газов. После того как силикагель адсорбирует аммиак и хлористый водород, его можно десорбировать водой-растворителем. После того, как газообразный диоксид серы адсорбируется силикагелем, его трудно десорбировать водой, и его необходимо нагревать для десорбции с поверхности силикагеля. Поэтому адсорбцию четырех газов на поверхности силикагеля необходимо рассчитать теоретически.
4 Теоретический расчет взаимодействия силикагеля с четырьмя газами представлен в программе квантования ORCA [4] в рамках теории функционала плотности (DFT). Метод DFT D/B3LYP/Def2 TZVP был использован для расчета режимов и энергий взаимодействия различных газов с силикагелем. Для упрощения расчета твердые частицы силикагеля представлены тетрамерными молекулами ортокремниевой кислоты. Результаты расчетов показывают, что H2 O, NH3 и HCl могут образовывать водородные связи с гидроксильной группой на поверхности силикагеля (см. рисунки 6a ~ c). Они обладают относительно высокой энергией связи на поверхности силикагеля (см. таблицу 2) и легко адсорбируются на поверхности силикагеля. Поскольку энергия связи NH3 и HCl аналогична энергии связи H2O, промывание водой может привести к десорбции этих двух молекул газа. Для молекулы SO2 ее энергия связи составляет всего -17,47 кДж/моль, что намного меньше, чем у трех вышеуказанных молекул. Однако эксперимент подтвердил, что газ SO2 легко адсорбируется на силикагеле, и даже промывка не может его десорбировать, и только нагревание может заставить SO2 уйти с поверхности силикагеля. Поэтому мы предположили, что SO2, вероятно, соединяется с H2O на поверхности силикагеля с образованием фракций H2SO3. На рис. 6д видно, что молекула H2SO3 образует одновременно три водородные связи с атомами гидроксила и кислорода на поверхности силикагеля, а энергия связи достигает -76,63 кДж/моль, что объясняет, почему SO2 адсорбируется на поверхности силикагеля. силикагель трудно удалить водой. Неполярный CO2 обладает самой слабой способностью связываться с силикагелем и может адсорбироваться силикагелем лишь частично. Хотя энергия связи H2CO3 и силикагеля также достигала -65,65 кДж/моль, скорость превращения CO2 в H2CO3 была невысокой, поэтому скорость адсорбции CO2 также снижалась. Из приведенных данных видно, что полярность молекулы газа не является единственным критерием, по которому можно судить о возможности его адсорбции силикагелем, а водородная связь, образующаяся с поверхностью силикагеля, является основной причиной его устойчивой адсорбции.
Состав силикагеля: SiO2 ·nH2 O, огромная площадь поверхности силикагеля и богатая гидроксильная группа на поверхности позволяют использовать силикагель в качестве нетоксичного осушителя с отличными характеристиками и широко использовать в производстве и быту. . В данной работе на основе двух аспектов эксперимента и теоретического расчета подтверждено, что силикагель способен адсорбировать NH3, HCl, SO2, CO2 и другие газы посредством межмолекулярных водородных связей, поэтому силикагель не может быть использован для сушки этих газов. Состав силикагеля: SiO2 ·nH2 O, огромная площадь поверхности силикагеля и богатая гидроксильная группа на поверхности позволяют использовать силикагель в качестве нетоксичного осушителя с отличными характеристиками и широко использовать в производстве и быту. . В данной работе на основе двух аспектов эксперимента и теоретического расчета подтверждено, что силикагель способен адсорбировать NH3, HCl, SO2, CO2 и другие газы посредством межмолекулярных водородных связей, поэтому силикагель не может быть использован для сушки этих газов.
３
ИНЖИР. 6 Режимы взаимодействия различных молекул с поверхностью силикагеля, рассчитанные методом DFT
Время публикации: 14 ноября 2023 г.
